실험실에서 가장 많이 쓰는 분석 장비 중 하나인 가스 크로마토그래피(Gas Chromatography, GC)를 정리한다. 크로마토그래피의 기본 개념부터 GC의 구성, 대표 검출기인 FID와 TCD, 그리고 정량분석을 위한 calibration까지 차례로 살펴본다.
1. 크로마토그래피란?
크로마토그래피(chromatography)는 복잡한 혼합물을 성분별로 분리하고, 각 성분을 확인(정성)하고 양을 측정(정량)하는 대표적인 분리 분석법이다. 고정된 정지상(stationary phase)과, 그 사이를 흐르는 기체·액체·초임계 유체 같은 이동상(mobile phase)을 접촉시켜 성분을 분리한다.
크로마토그래피는 정지상의 형태에 따라 컬럼 크로마토그래피(column chromatography)와 평면 크로마토그래피(planar chromatography)로 나뉘는데, GC는 컬럼 크로마토그래피에 속한다.
- 컬럼 크로마토그래피: 좁은 관(컬럼)에 고정한 정지상에 이동상을 압력으로 강제로 흘려 보내며 성분을 분리하는 방법
컬럼 크로마토그래피의 분리 원리 (직접 작성)
성분마다 정지상과 상호작용하는 세기가 다르기 때문에, 정지상과 강하게 상호작용하는 성분은 컬럼에 오래 머물고 약하게 상호작용하는 성분은 빨리 빠져나온다. 이 머무름 시간(retention time)의 차이로 성분을 분리한다.
2. GC의 종류: GLC와 GSC
GC는 이동상으로 기체를 사용하는 크로마토그래피로, 정지상의 종류에 따라 두 가지로 나뉜다.
- 기체-액체 크로마토그래피(gas-liquid chromatography, GLC): 정지상이 액체다. 흔히 GC라고 하면 GLC를 말하며, 거의 모든 분야에서 사용된다.
- 기체-고체 크로마토그래피(gas-solid chromatography, GSC): 고체 정지상에 분석 물질이 물리적으로 흡착되는 현상을 이용한다. 다만 극성 분자가 거의 영구적으로 붙잡히거나, 흡착이 비선형적으로 일어나 피크가 뒤로 길게 끌리는 꼬리 끌기(tailing)가 나타나 사용에 한계가 있다.
즉 일반적인 GC는 비활성 고체 충전물의 표면이나 모세관 내벽에 고정한 액체 정지상과 기체 이동상 사이의 분배를 이용해 성분을 분리한다.
3. GC의 구성
GC의 구성. 출처: Wikipedia, "Gas chromatography"
GC는 위 그림처럼 운반 기체 공급부 → 시료 주입부 → 컬럼 오븐 → 검출기 → 데이터 처리부로 이루어진다. 하나씩 살펴보자.
① 운반 기체(carrier gas) 공급부
GC에서 이동상 기체를 운반 기체(carrier gas)라고 한다. 시료와 반응하지 않는 비활성 기체를 사용하며, 필자가 있던 실험실에서는 질소(N2)를 사용했다. 기체를 흘려줄 때는 압력 조절기, 압력계, 유량계를 사용하고, 기체 속 수분이나 불순물을 제거하기 위해 분자체(molecular sieve) 트랩을 거친다.
운반 기체의 유속을 정확히 아는 것이 중요하다. 예전에는 비누 거품 유량계(soap-bubble flowmeter)로 측정했지만, 요즘에는 전자 유량계를 주로 사용한다.
② 시료 주입부(sample injector)
시료를 컬럼으로 보내는 장치다. 시료는 반드시 기체 상태로 컬럼에 들어가야 하므로, 액체 시료는 주입부에서 기화시켜 원하는 양만큼 주입한다.
③ 컬럼 오븐(column oven)
실제로 성분이 분리되는 곳이다. GC 컬럼에는 충전 컬럼(packed column)과 모세관 컬럼(capillary column)이 있으며, 최근에는 분해능이 우수한 모세관 컬럼을 많이 사용한다. 컬럼은 스테인리스강, 유리, 용융 실리카, 테플론 등으로 만들고, 지름 10~30 cm 정도의 코일 형태로 감아 오븐 안에 넣는다.
중요한 것은 컬럼 온도다. 최적 온도는 시료의 끓는점과 요구되는 분리 정도에 따라 달라진다. 그래서 분리가 진행되는 동안 컬럼 온도를 연속적으로, 또는 단계적으로 높이는 온도 프로그래밍(temperature programming)을 사용한다. 저온에서 고온으로 올라가면서 끓는점이 다른 여러 성분을 한 번에 분석할 수 있다.
④ 검출기(detector)
컬럼에서 분리되어 나온 성분을 검출하는 장치다. FID, TCD, ECD, TID 등 여러 검출기가 있는데, 여기서는 가장 많이 쓰는 FID와 TCD를 살펴본다.
⑤ 데이터 처리부
GC는 컴퓨터와 연결되어 있고, 분석 소프트웨어가 검출기 신호를 받아 크로마토그램으로 출력한다. 피크가 나오는 시간으로 성분을 확인(정성분석)하고, 피크 면적으로 양을 구한다(정량분석).
4. 불꽃 이온화 검출기(FID)
FID(Flame Ionization Detector)는 GC에서 가장 널리 쓰이는 검출기로 응용 범위가 넓다.
불꽃 이온화 검출기(FID)의 구조 (직접 작성)
컬럼에서 나온 기체는 먼저 수소 연료와 섞이고, 이어서 공기와 섞여 불꽃으로 들어간다. 대부분의 유기 화합물은 불꽃 속에서 분해되며 이온과 전자를 만든다. 이 이온은 매우 민감한 전류계에 연결된 집전극(collector)으로 모이고, 전류계가 이를 감지해 신호를 증폭기와 데이터 처리 장치로 보낸다.
FID에서 탄소 화합물이 이온화되는 원리가 완전히 밝혀진 것은 아니지만, 생성되는 이온의 수는 대략 불꽃에서 연소된 탄소 원자 수에 비례한다. 그래서 탄화수소 정량에 특히 강하다.
- 감응하지 않는 기체: H2O, CO2, SO2, CO, 비활성 기체, NOx처럼 불꽃에서 이온을 거의 만들지 않는 기체
- 메타나이저(methanizer)를 달면 CO와 CO2를 메탄으로 바꿔 FID로도 검출할 수 있다.
- 장점: 감도가 높고, 잡신호가 적으며, 고장이 잘 나지 않아 사용하기 편하다.
- 단점: 연소 과정에서 시료가 파괴된다.
5. 열전도도 검출기(TCD)
TCD(Thermal Conductivity Detector)는 GC용으로 가장 먼저 사용된 검출기이며, 지금도 많이 쓰인다.
TCD의 구조. 출처: Wikipedia, "Thermal conductivity detector"
운반 기체가 시료 셀과 기준 셀로 나뉘어 흐르고, 각 셀 안의 필라멘트에는 전류가 흐른다. 시료 셀에 분석 성분이 들어오면 기체의 열전도도가 달라져 두 필라멘트 사이에 온도 차이가 생기고, 이 온도 차이가 저항 차이로 이어진다. TCD는 이 저항 차이를 출력 전압으로 바꿔 신호를 얻는다.
- 장점: 구조가 간단하고, 거의 모든 기체에 감응하는 범용 검출기이며, 시료가 파괴되지 않는다.
- 단점: 감도가 낮아, 아주 적은 양의 시료를 다루는 모세관 컬럼에는 잘 쓰지 않는다.
6. 정량분석: GC calibration
크로마토그램을 얻었다면, 피크 면적을 실제 양으로 바꾸기 위해 calibration을 해야 한다. 농도를 알고 있는 표준 시료를 분석해 피크 면적과 몰수(또는 농도) 사이의 관계식을 미리 만들어 두는 것이다.
예를 들어 calibration curve가 다음과 같은 직선이라면,
$$y = a\,x$$
여기서 $x$는 피크 면적, $y$는 몰수(또는 몰 농도), $a$는 성분마다 정해지는 감도 계수다. 이 계수는 성분과 검출기, 분석 조건에 따라 달라지므로 성분별로 따로 구해야 한다.
반응 실험에서는 이렇게 구한 몰수로 전환율(conversion)과 선택도(selectivity)를 계산한다. 가장 기본적인 정의는 다음과 같다.
$$X_A = \frac{n_{A,\mathrm{in}} - n_{A,\mathrm{out}}}{n_{A,\mathrm{in}}} \times 100\ (\%)$$
$$S_i = \frac{n_i}{\sum_j n_j} \times 100\ (\%)$$
여기서 $n_{A,\mathrm{in}}$과 $n_{A,\mathrm{out}}$은 반응물 A의 유입·유출 몰수, $n_i$는 생성물 i의 몰수다. 선택도는 몰 기준 외에 탄소 수 기준으로 정의하기도 하므로, 반응에 맞는 기준을 정해서 쓰면 된다.
정리
- GC는 기체 이동상과 액체(또는 고체) 정지상 사이의 상호작용 차이로 성분을 분리하는 컬럼 크로마토그래피다.
- 구성은 운반 기체 공급부 → 시료 주입부 → 컬럼 오븐 → 검출기 → 데이터 처리부다.
- 컬럼 온도는 온도 프로그래밍으로 높여 끓는점이 다른 성분을 한 번에 분석한다.
- FID는 감도가 높고 탄화수소에 강하지만 시료가 파괴되고, TCD는 범용적이고 비파괴지만 감도가 낮다.
- 피크 면적은 calibration으로 몰수로 바꾸고, 이를 바탕으로 전환율과 선택도를 계산한다.